方形喷嘴的中低压喷洒水滴性能试验研究

华琳，李红，蒋跃，秦龙潭

▪灌溉技术与装备▪

方形喷嘴的中低压喷洒水滴性能试验研究

华琳，李红*，蒋跃，秦龙潭

（江苏大学 流体机械工程技术研究中心，江苏 镇江 212013）

【目的】研究喷嘴出口形状和散水结构对喷洒水滴特性的影响。【方法】通过视频雨滴谱仪测量了方形喷嘴在有无摇臂结构下的喷洒水滴特性。以圆形喷嘴作为对照组，分析了中低压下喷嘴形状对喷洒水滴直径分布、喷灌强度和动能强度等水力性能的影响，对比了摇臂结构对改善方形喷嘴喷洒性能的效果。【结果】在中低压条件下，方形喷嘴和圆形喷嘴的喷洒效果相似。方形喷孔对喷洒水量分布的改善效果不显著，水量主要集中在73%射程处。在近喷头的喷灌范围内，方形喷孔产生的水滴直径和动能均比圆形喷孔产生的水滴大，将方形喷嘴结合摇臂等辅助散水结构可以加强水射流分散程度的同时降低射程末端水滴打击动能。【结论】因此，辅助散水结构可以改善方形喷孔产生的水滴直径大、动能强度大的缺点，既保留高散水性能又降低水滴对土壤和作物的伤害。该研究对于中低压喷灌系统的喷嘴结构设计具有参考价值。

方形喷嘴；中低压喷灌；喷灌；水力性能；粒径分布；动能强度

0 引言

【研究意义】降低灌溉系统的运行压力并保持灌溉质量是节水节能增产的重要途径[1-2]。降低系统运行压力至喷头正常运行压力范围以外会损耗喷头的水力性能，降低灌溉均匀度和射程。通过副喷嘴、扭曲流道、异形喷嘴以及散水结构等均可以改善喷头的水力性能[3]。异形喷嘴是指喷头的出水孔口形状为非圆形的一系列喷嘴，通过增强对水射流的扰动，加剧射流的失稳破碎，改善射流的雾化程度，提高喷灌水量分布的均匀性[4]。其中，方形喷孔在喷灌喷头中得到了广泛应用，可以有效改善喷头的水量分布均匀性和喷洒水滴直径大小[5]。【研究进展】蒋跃等[6]针对摇臂喷头设计了三角形和正方形异形喷嘴，并对其进行高速摄影试验研究，指出异形喷嘴的射流破碎段长度小于圆形喷嘴，雾化效果更好。在此基础上，周小引等[7]进一步对其进行水力性能试验研究，指出异形喷嘴的组合喷灌均匀性好于圆形喷嘴。魏洋洋等[8]在摇臂喷头的基础上设计了变量异形喷嘴并进行水力性能试验研究，指出异形喷嘴的末端水滴直径比圆形小，通过调节喷嘴出口面积可以实现喷头的变域喷洒。

喷灌水滴洒落到地面上浸润土壤，为作物提供水分和养料。喷洒水滴的分布是喷灌喷头的重要水力性能之一。喷洒水滴直径和动能是喷灌系统的重要评价指标，反映水滴对土壤结构的破坏作用和灌溉水在土壤中的入渗效果。喷洒水滴直径较小时，喷灌抗风性差，容易产生水分漂移，导致水量在地表及地表以下的再分配不均匀。喷洒水滴直径较大时，水滴对作物幼苗造成损害，土壤表面容易结皮，不利于水分入渗，形成径流和水土流失等问题。对液滴直径的测量方法包括面粉法、色斑法、雨滴谱仪以及摄像法等。李久生等[9]采用面粉法测量异形喷嘴产生的水滴直径，通过计算得到水滴动能。但其水滴动能是通过运动方程间接得到，结果的精度难以保证。Ge等[10]采用雨滴谱仪技术分析了Nelson低压喷头液滴的直径、速度、落地角度和动能等参数，并与自然降雨的雨滴特性进行对比。刘俊萍等[11]采用激光雨滴谱仪测量对比分析了全射流喷头和摇臂式喷头所产生的水滴性能，得到2种喷头液滴直径、频率及累计频率等参数的分布规律。

【切入点】由上述文献可知，针对喷灌方形喷嘴的研究多是基于摇臂式喷头进行的，没有排除摇臂结构的打击散水作用，未能将喷孔形状、散水部件和喷洒水滴性能之间建立相关联系。【拟解决的关键问题】因此，本研究设计了仅有方形喷嘴与方形喷嘴辅助摇臂结构的2种散水形式，以圆形喷嘴作为对照组，综合分析方形喷嘴的散水特点。基于方形喷嘴，着重分析了中低压条件下喷孔形状对喷头喷洒水滴的性能影响，为中低压异形喷灌喷嘴的结构设计和研发应用提供了一定的参考和指导。

1 材料与方法

1.1 喷嘴结构

采用文献[12]中的喷嘴结构如图1所示，根据等压条件下方形喷嘴与圆形喷嘴流量相同原则得到喷嘴的结构参数，如表1所示。

图1 喷嘴结构示意图和实物

表1 喷嘴的结构参数

1.2 试验方法

试验场地设于江苏大学流体机械工程技术研究中心的室内喷灌大厅。喷嘴安装在PY15摇臂喷头上，喷头喷射仰角为23°，安装高度为1.5 m。为了研究喷嘴形状对喷头水力性能影响，分别开展了水量分布试验和水滴性能试验，具体试验设计方案见表2。摇臂喷头的额定运行压力一般为200～400 kPa，因此本文将喷头运行的中低压设置为100、200 kPa和300 kPa。摇臂喷头的摇臂结构不仅提供喷头旋转的驱动力，同时对水射流有打击分散的作用，因此仅研究喷孔形状因素对喷洒水滴性能的影响时要排除摇臂结构的作用。本研究自主设计一套由电机驱动齿轮传动的匀速旋转装置如图2所示，转速为6.5 rpm，摇臂被反向固定。试验系统包括：喷头系统，视频雨滴谱仪（2D-Video-Distrometer/2 DVD）（奥地利Joanneum Research公司），水泵，输水管道，0.5级电磁流量计（DN50），0.4级压力表和若干雨量筒等。水量分布试验：以喷头为中心、在喷洒圆内均匀分布8条径向雨量筒测试线，雨量筒间隔1 m放置，测试时间1 h，距喷头相同距离处的水量取平均值。水滴性能试验：如图3所示，视频雨滴谱仪沿喷洒圆径向间隔1 m采样，各测点测量时间4 min，各测点处的样本数1 000～20 000，设置3次重复取平均值。

表2 试验方案

图2 喷头样机

图3 试验布置示意

1.3 数据处理

通过视频雨滴谱仪可以直接测得的水滴性能参数包括水滴直径、速度和打击动量等，通过公式计算处理可以得到水滴的单位体积动能、体积加权平均粒径以及喷头的喷洒动能强度，以反映喷灌质量[13-15]。相关公式为：

式中：v为水滴体积加权平均直径（mm）；为测点水滴总个数；d为第个水滴的直径（mm）。

式中：sd为单个水滴动能（J）；为水滴密度，1 000 kg/m3；为水滴的落地速度（m/s）。

式中：ev为水滴单位体积动能（J/L）。

式中：pj为测点处的喷灌动能强度（W/m2）；I为测点处的喷灌强度由雨量筒测出（mm/h）。

2 结果与分析

2.1 体积加权粒径和单位体积动能

图4为没有摇臂打击时，不同压力条件下喷嘴产生的水滴直径沿射程方向的分布情况。结果表明，喷头的喷洒水滴直径沿射程方向增加，大小和喷头压力呈负相关。方形喷嘴仅对射程前端水滴直径有影响。低压100 kPa下，方形喷嘴产生的水滴直径在近喷头处约5～9 m范围内比圆形喷嘴的水滴直径大，最多比圆形提升60.8%。当压力达到中压以上时（200～300 kPa），喷头喷孔形状对水滴直径没有影响，不同喷孔形状的喷嘴所产生的水滴直径相同。为进一步分析摇臂结构对水滴分布的影响，图5对比了200 kPa压力下有无摇臂打击作用下喷孔形状对水滴分布的影响。可以看出，在相同条件下，摇臂的打击散水作用增大了喷头的喷洒水滴直径。由于摇臂的散水位置靠近喷嘴出口，因此在喷头2～6 m射程处的喷洒水滴体积加权平均粒径数值波动较大。

图4 压力和喷洒水滴直径的关系

图5 200 kPa压力下喷洒水滴直径对比

单位体积动能可以反映喷灌水滴对土壤入渗的影响，随着水滴动能增大，土壤水分入渗率逐渐减小，容易产生地表径流[12]。根据视频雨滴谱仪测量得到的水滴落地速度和水滴直径大小，由式（3）可以计算得到水滴的落地动能，结果如图6所示。水滴动能的分布与粒径的分布规律基本一致，在低压（100 kPa）下，喷孔形状对喷头射程前端的水滴动能影响较大。在7 m位置处，方形喷孔所产生的水滴动能比圆形喷嘴高95.9%。图7为200 kPa下摇臂打击对水滴的单位体积动能的影响。结果表明，摇臂打击对水射流的分散进一步增大了喷洒水滴的动能。圆形喷嘴的喷洒水滴沿程平均动能为14.1 J/L，增加摇臂打击后的水滴沿程平均动能为15.7J/L，提高了10.2%。方形喷嘴的喷洒水滴沿程平均动能为14.7 J/L，增加了摇臂打击后的水滴沿程平均动能为16 J/L，提高了8.1%。相比于圆形喷嘴，摇臂打击对方形喷嘴产生的水滴动能的提升程度更小。因此，方形喷嘴配合摇臂打击的方式在提升水量分布均匀性的同时产生地表径流的隐患更小。

图6 压力和喷洒水滴动能的关系

图7 200 kPa压力下喷洒水滴动能对比

2.2 喷灌强度和动能强度

喷灌强度是指单位时间内喷洒在单位面积上的水量，主要受喷头结构和运行压力的影响，是衡量喷灌质量优劣的重要技术指标之一。图8为中低压下方形喷嘴和圆形喷嘴在无摇臂打击分散射流条件下的水量分布情况。可以看出，低压100 kPa运行工况下喷嘴孔口形状对水量分布几乎没有影响，喷灌水量只集中在11 m处，分布极不均匀。当灌溉压力达到中压200～300 kPa时，喷头的沿程水量分布逐渐均匀，在靠近喷头的喷洒区域内方形喷孔的喷洒水量均匀性比圆形优异。喷头运行压力越大，方形喷嘴的水力性能优势越显著，当压力为300 kPa时，方形喷嘴比圆形喷嘴的水量最多可以增长2.7倍。图9显示，摇臂打击作用显著增加喷头在2～12 m射程范围内的水量，但会减小射程末端水量，影响喷头射程。对于方形喷嘴，辅助摇臂打击时射程远端水量峰值在12 m处，无摇臂打击时为13 m。对于圆形喷嘴，是否有摇臂打击作用不改变远端水量峰值的位置，均为13 m。

图8 沿射程方向喷灌强度分布

图9 200 kPa压力下喷头水量分布对比

喷灌动能强度是指单位时间单位面积内的水滴动能大小，取决于水滴的动能及喷灌强度，是反映喷洒水滴能量分布、衡量喷灌对土壤侵蚀效果的重要指标。在图10中，无摇臂打击的喷头喷灌动能强度在0～8 m射程范围内几乎为0，但是在射程末端存在峰值，方形喷嘴产生的水滴动能强度略高于圆形喷嘴。动能强度峰值与喷灌压力成反比，较低压力下的喷灌容易出现喷灌末端的喷灌动能强度过大的现象，存在打伤作物、破坏地表土层等潜在威胁。图11为200 kPa压力下，摇臂打击作用对喷灌水滴动能强度分布的影响。由图11可知，在摇臂打击下，喷嘴沿程水滴动能强度略有增大，但射程末端的水滴动能强度得到降低。圆形喷嘴末端水滴动能最大降幅达29.7%，方形喷嘴最大降幅达88.8%，表明摇臂结构的打击散水作用能有效减小方形喷嘴喷灌末端水滴动能强度，降低中低压喷灌对土壤和作物的破坏程度。

图10 沿射程方向动能强度分布

图11 200 kPa压力下动能强度分布对比

3 讨论

3.1 视频雨滴谱仪测量水滴参数的优势

喷洒水滴的直径和速度是衡量喷头喷洒效果的重要参数，因此对运动水滴的准确测量是关键。方形喷嘴的特殊出口结构对水射流的扰动和分散作用会加剧水滴破碎程度，表现为水滴直径更小、数量更多。密集水滴所产生的重叠影像使传统的面粉法、色斑法和摄影法对水滴粒径的测量存在较大误差。视频雨滴谱仪是通过2台相机对拍摄区域内的雨滴进行连续的线性扫描，对水滴的下落过程进行连续拍摄记录。通过水滴的投影图像，计算出等效球体的体积并换算出水滴直径；通过2次连续拍摄的时间差和水滴位移计算出水滴的速度信息[16]。2 DVD视频雨滴谱仪突破了面粉法和滤纸色斑法只能测水滴直径的限制，也避免了激光法在测量中水滴重叠和测量区域边界变形等严重影响测量精度的问题。本研究通过2 DVD雨滴谱仪对水滴的直径和落地速度进行测量，所得试验数据可靠，该方法在减小测量误差的同时也降低了试验测量难度。

3.2 方形出口和摇臂结构的扰动作用

喷嘴结构是影响喷头水力性能的重要部件。其中改变喷嘴出口形状是通过增大水射流初始段扰动来加剧破碎程度，摇臂结构是通过添加外部打击来加剧水射流破碎程度以增强喷头的散水性能。现有的研究[7-8,11]已经说明异形喷嘴和散水结构对喷头的水力性能均有显著影响。但是，针对喷嘴出口形状和散水结构这2种散水方式单独作用于水射流和共同作用于水射流的散水效果没有太多的对比研究。由于散水结构也是喷头的驱动力的来源之一，取消散水结构的作用后无法实现喷头的匀速转动。因此，以往在研究异形喷嘴时，一般是对摇臂喷头进行异形喷嘴替换[5-9]或者是对带有散水盘的异形旋转喷头（例如Nelson R33 LP旋转喷头）进行试验研究[17]。未能将异形喷嘴和散水结构对同一种喷头的独立影响进行研究。本研究针对同一个喷头分别研究喷嘴出口形状和散水结构这2种散水方式对喷洒水滴性能的影响。通过本研究的结论可有力证实方形喷嘴在辅助散水结构后能更好地发挥其结构优势，对改善喷头喷洒具有积极作用。由于样本数据量较大，因此本研究仅针对常用的喷灌摇臂喷头研究了一种方形出口，为了深入研究喷嘴出口形状对喷头性能的影响机制，在未来的研究中要进一步设计多种喷嘴结构，建立喷嘴形状和水滴参数的详细映射关系。

4 结论

1）无外部散水结构的喷头在中低压下水量分布不均匀，主要集中在73%射程处。相比于圆形喷头，方形喷嘴在射程前半段的水量高2～3倍。

2）喷嘴形状仅影响喷头射程前端的水滴性能，而摇臂等散水结构对喷头全射程范围内的水滴性能均有影响。摇臂结构可以提高沿程的喷灌强度减小喷灌末端水滴的动能强度，相比于圆形喷嘴，方形喷嘴辅助散水结构后对喷洒水滴性能的改善效果更加显著。

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Experimental Study on Performance of Square Nozzle in Sprinkler Irrigation Systems under Low-intermediate Operating Pressure

HUA Lin, LI Hong*, JIANG Yue, QIN Longtan

(Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

【Objective】The performance of sprinkler irrigation systems depends on many design factors and in this paper, we study the effect of orifice shape and the impact-arm of the nozzle on spraying characteristics when the systems are operated under low-intermediate pressure.【Method】The parameters characterizing the water droplets were measured by the 2D-dideo-distrometer. Taking the circular nozzle as the control, the effects of orifice shape on water droplet diameters, water application rate and kinetic energy intensity were measured and analyzed. We also studied the effects of the impact-arm on spraying performance of the square nozzle.【Result】The spraying characteristics of the square nozzle and circular nozzle were similar when the sprinkler irrigation system was operated under low-intermediate pressure. The orifice shape did not improve water distribution significantly, and the precipitation was mainly concentrated at the 73% range. In the regions proximal to the nozzle, the diameter and kinetic energy of the water droplets of the square nozzle were larger than that of the circular nozzle. Combining the square orifice with auxiliary water dispersing structure such as the impact-arm can enhance dissipation of the water jet and reduce the droplet kinetic energy at the out edge of the wetting area.【Conclusion】A dispersion structure combined with the square nozzles can overcome the disadvantages of large diameter and kinetic energy of water droplets, reduce the damage of the water droplets to soil and crops, and retain good hydraulic performance of the sprinkler irrigation system.

square nozzle; low-intermediate operation pressure; sprinkler irrigation; hydraulic performance; droplets diameter; kinetic energy intensity

1672 - 3317（2022）05 - 0104 - 06

S277.9+4

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021348

华琳, 李红, 蒋跃, 等. 方形喷嘴的中低压喷洒水滴性能试验研究[J]. 灌溉排水学报, 2022, 41(5): 104-109.

HUA Lin, LI Hong, JIANG Yue, et al. Experimental Study on Performance of Square Nozzle in Sprinkler Irrigation Systems under Low-intermediate Operating Pressure[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(5): 104-109.

2021-08-04

国家自然科学基金项目（51679109，51939005）；江苏研究生科研创新计划项目（KYCX21_3345）；江苏省高等学校重点学科建设专项（PAPD-2018-87）

华琳（1994-），女，江苏镇江人。博士研究生，主要从事排灌机械及射流理论研究。E-mail: 18352862281@163.com

李红（1967-），女，江苏兴化人。研究员，博士生导师，主要从事节水灌溉设备、泵的理论研究。E-mail: hli@ujs.edu.cn

责任编辑：赵宇龙